金川矿岩亚临界裂纹扩展试验研究

裂纹扩展

中南大学学报(自然科学版)第37卷第2期Vol.37　No12

2006年4月Apr.　2006J.CENT.SOUTHUNIV.(SCIENCEANDTECHNOLOGY)

金川矿岩亚临界裂纹扩展试验研究

袁海平,曹　平,周正义

(中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙,410083)

摘要:采用双扭试件常位移松弛法,对金川软弱复杂矿岩进行亚临界裂纹扩展试验研究。得出采场矿岩亚临界裂纹扩展速度与应力强度因子之间的关系,矿岩断裂韧度为(1.5084±0.1143)MN m-3/2;试验相关系数为

0.9254,表明lgKI2lgv关系曲线呈直线,数据离散性大是岩石本身的矿物成分、颗粒大小、力学性质的不均匀所

致。该试验结果为预测金川Ⅲ矿软弱复杂矿岩自然崩落速度提供了可靠依据。关键词:双扭试件;亚临界裂纹扩展;断裂韧度;自然崩落法中图分类号:TB302.1

文献标识码:A

文章编号:167227207(2006)0220381204

Testingstudyofsubcriticalcrackinmine

2ping,Zheng2yi

(SafetyEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China)

Abstract:constant2displacement2relaxmethodofdoubletorsionspecimenswasappliedtostudysubcriticalcrackgrowthofflabbyandintricateoreinJinchuanmine.Therelationshipbe2tweensubcriticalcrackvelocityandstressintensityfactorisobtained.Andthefracturetoughnessis(1.5084±0.1143)MN m-3/2.Themultiplecorrelationcoefficientis0.9254,whichshowsthatthecurveoflgKI2lgvislinearmagnificently,andthehighdiscretionofdataiscausedbymineralcomposition,separatorsizeandmechanicalpropertyofrockitself.ReliablereferencesareprovidedbythetestingresultsforforecastingtheblockcavingvelocityoforeinJinchuanⅢmine.

Keywords:doubletorsionspecimen;subcriticalcrackgrowth;fracturetoughness;blockcavingmethod

　　金川有色金属公司矿区地应力高,矿体厚度大、碎裂、品位低,岩体强度较低,节理裂隙发育,无法使用目前所采用的充填采矿法回采。2002年,公司决定采用成本低、效率高的自然崩落法开采[1,2]。根据断裂力学原理,对于张开型裂纹,在裂纹尖端的应力强度因子(KI)未达到断裂韧度(KIC)即裂纹开始快速扩展前,有一个称为亚临界裂纹扩展的裂纹稳定扩展过程[3],在此过程中,裂纹的扩展速度(v)随KI的增大而增大。岩石内裂纹

收稿日期:20050710

的快速扩展进而发生断裂,通常是在亚临界裂纹扩

展到一定程度后发生的[4,5]。可以根据采场的应力状态和节理分布,找出危险的应力强度因子所在的等应力强度因子曲面,然后由矿石的KI2v关系,计算危险曲面以下矿岩发生1次崩落所需时间及崩落矿量,由此计算矿块崩落速度。矿石的亚临界裂纹扩展速度和断裂特性既影响矿石的自然崩落规律,也影响矿石崩落的块度分布,所以,研究矿石亚临界裂纹扩展规律,获取采场矿岩的KI2v关系及其

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50274074);中南大学教育创新工程基金资助项目(134375210)

作者简介:袁海平(1977-),男,江西九江人,博士研究生,从事岩石力学理论、工程模型及岩土工程数值计算与仿真研究论文联系人:袁海平,男,博士研究生;电话:073128832583(O);E2mail:seapie@http://www.77cn.com.cn

裂纹扩展

382 中南大学学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第37卷

断裂韧度KIC,对指导自然崩落采矿法的研究和设计具有重要意义。在此,作者采用双扭方法

[6,7]

测

g=

222Wd3dnG

。(4)

试金川Ⅲ矿区岩石的亚临界裂纹扩展速度和断裂韧

度,研究试验技术和数据处理方法,并对试验结果进行分析,以期为矿岩自然崩落规律研究提供重要的原始数据及依据。

根据应力强度因子与应变能释放率之间的关系以及泊松比与G之间的关系,得到应力强度因子关系式:

1/2(5)KI=plm。3

Wddn

1　双扭试件测试的基本原理

双扭试件如图1所示。双扭试件可看作是由2

块弹性扭转板组成,当扭转板的宽度远大于试件的厚度时,扭转应变θ为:

θ=y/lm=3。

(1)

WdG

式中:T为扭矩,T=Plm/2;P荷载;G为岩石的剪切模量;a;为试件的厚度;dn;件的宽度;lm。

从式(5)可以看出,应力强度因子与荷载、试件尺寸和泊松比等因素有关,不依赖裂纹的长度。

试验结果表明,柔度变化率可以通过在给定荷载下位移变化率或在给定位移下荷载的变化率得到。在恒定位移条件下,对式(2)求导,得到岩石亚临界裂纹扩展速度为:

3

(6)v=2。

dtlmp,若试件尺寸和。由此可以通过试验建立亚临界裂纹扩展速度和应力强度因子之间的关系。

2　双扭试验技术

2.1　试验装置

矿岩亚临界裂纹扩展速率试验在中南大学测试中心INSTRON1342材料伺服机上进行,试验装置如图2所示。用CBW型高精度轴向位移引伸计测量位移,其量程为±27mm。位移、力和时间同时采用计算机控制与采集系统自动记录。

图1　双扭试件示意图

Fig.1　Schematicdiagramofdouble

torsionspecimen

式(1)可以写为[8]

C=y/p=

2W

dG

3

。(2)

式中:C为双扭试件的弹性柔度。

裂纹扩展的应变能释放率(g)与试件的柔度(C)的关系为[9]:

2

(3)g=。

2dA

式中:A为裂纹的表面积。对于双扭试件,应变能释放率可以通过在式(2)中C对a求导,并将结果代入式(3)中得到,于是,

图2　试验装置示意图

Fig.2　Schematicdiagramoftestingdevice

底板用于放置试件,其上开有半球形空间和半圆柱 …… 此处隐藏：4823字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……